KOMPLEXNÍ choroby 24.11.2006 Genetika onemocnění s komplexní dědičností Dědičnost se podílí na většině běžných onemocnění U téměř 2 ze tří jedinců způsobuje během života morbiditu a předčasnou mortalitu nemoci, jako jsou IM, rakovina, duševní choroby, diabetes apod. ■ ■ Frekvence různých typů dědičných onemocnění Typ dědičnosti Incidence při porodu (na 1000) Prevalence ve veku 25 let (na 1000) Prevalence v populaci (na 1000) Onemocnení způsobená genomovýnru a chromozómovými mutacemi 6 1,8 3.8 Onemocněni způsobená mutacemi jednoho genu 10 3,6 20 Onemocnení s multrfaktoriálnl dědičností -50 - 50 - 600 ■ Údaje upraveny a převzaty 7 Rimnin DL. Connor JM. Fyeritz RE. F.mcry and Rimoin's Principles and Practice oř Medical Genetics 3. vyd.r Churchill Livings tont! IW, Edinburgh. ■' • Dědičný znak nebo postižení, které buďto je nebo není přítomno => diskrétní (kvalitativní) znak • Měřitelné vlastnosti (fyziologické nebo biochemické veličiny -TK, výška, hladina cholesterolu, BMI) => kvantitativní znaky Pochopení dědičné podstaty variability kvantitativních znaků je základem pro porozumění tomu, jak se geny podílejí na vzniku komplexních nemocí. ■' Problémy, kterými se budeme zabývat Jak zjistit, zda určité geny přispívají ke vzniku častých nemocí a k variabilitě v kvantitativních fyziologických znacích Popíšeme metody studia těchto chorob Vysvětlíme metody, které se používají k určení, kolik genů se na vzniku určitého fenotypu podílí a metody, jimiž je zjišťována lokalizace těchto genů v genomu Nakonec si ukážeme řadu příkladů komplexních nemocí ■' Komplexní nemoci CFTR gen Mutace Cystická fibróza Komplexní choroba Faktor 1 zevního prostredí ■*- -* Faktor 2 zevního prostředí Pohlaví Věk Spektrum lidských chorob ■ ' Single gene A Meridetjan Reduced penetrance Genetic / \ (ultifactoriat with single major locus iffttorial Polvoenic Environmental • Geneticky dominantní v Neúplně penetrants \ S Polygenní V Faktory zevního prostředí Zevní prostředí Bomprezi et al. 2003 45 (a) Multilocus/multiallele hypothesis Gerte« A B C D E F ;t5 Allel Hl J K L. □ □ o Genes ABC D... Common disease/common variant hypothesis (b) Oligogenes Major genes Xa=1.1 GB.C ■' Komplexní nemocí (znaky) Stojí na vrcholu pomyslné pyramidy složitosti celé genetiky Genotypovou složkou komplexních chorob není striktní determinizmus, nýbrž predispozice k fenotypové manifestaci nemoci Rada interakcí: genotyp - genotyp genotyp - prostředí Epidemiologickou charakteristikou komplexních chorob je statistická kumulace v rodinách, tj. statisticky významně zvýšená frekvence onemocnění u pokrevních příbuzných daného postiženého jedince bez jasného mendelistického způsobu přenosu ■' Polygenní model • Základy genetiky komplexních stavů položil v r. 1918 R.A. Fisher (A) One focus Aa ■ aa AA i i (B) Two loci AAbb AaBb aaBB Aabb aaBb i AABb AaBB i aabb AABB 70 80 90 100 l l 0 120 130 AaBBCC 70 80 90 IOO 110 120 130 (C) Three loci (D) Many loci Aabbcc aaBbcc aabbCc AAbbcc AaBbcc AabbCc aaBbCc aabbCC AABbcc AAhhCc AaBbCc AabbCC AaBBcc aaBBCc aaBbCC ____l____ AABBcc AABbCc AAbbCC AaBbCC aaBBCC AABBCC AABbCC AaBBCC AABBCC 70 80 90 1O0 1 10 120 130 70 SO 130 ■' Prahový model • V polovině 60. let přišel s tzv. prahovým modelem D.S. Falconer Distribution of liability in the general population Threshold value of liability Average liability in general population Average liability among sibs of affected people ■' Prahový model s pohlavně rozdílným prahem Distribution Of liability in general population » n Mean liability for: general population sibs of affected boys stbs of affected girls Male ttireshold Female threshold ■ Affected boys only IB Affected children o- either Affected brothers Affected sibs of either sex Affected brothers Affected sibs of either sex ■' Dnešní model - se od těch klasických v několika ohledech dost zásadně liší > Je jasné, že genotypova složka komplexních znaků není tak rozsáhlá, jak se předpokládalo (nezahrnuje stovky, max. desítky genů) > Genotypova složka není homogenní ve smyslu rozsahu účinku jednotlivých genů (zahrnuje geny jak relativně velkého, tak i malého a středního účinku) > Vzájemný vztah jednotlivých predisponujících genů není v žádném případě uniformně aditivní u vyjádřeno multiplikativním modelem => souhrnný účinek predisponuj ících genů je roven součinu jejich dílčích účinků (interekční efekty) ■' Podklady pro hledání genetické determinace: > Zvýšený výskyt v rodinách > Zvýšená incidence u dvojčat: MZ > DZ > Dědičnost intermediárních fenotypu: Familiární výskyt nemocí Familiární agregace Je charakteristikou nemocí s komplexní dědičností, protože příbuzní sdílejí větší podíl genů navzájem mezi sebou než s nepříbuznými osobami Obráceně to platit nemusí - FA neznamená, že se na chorobě musí podílet dědičnost => rodina nesdílí jenom stejné geny, ale i vnější prostředí, kulturní návyky, vzorce chování apod. ■ ■ Nutno posoudit podíl genetických a negenetických faktorů ■' Konkordance a diskordance Mají-li 2 příbuzní jedinci v rodině stejnou nemoc - konkordantní Je-li jeden postižený a druhý ne - diskordantní => lze vysvětlit jiným vlivem dalších faktorů nutných k nastartování patologického procesu Naopak - konkordantní fenotyp může vzniknout i při rozdílných predisponujících genotypech => nemoc u jednoho z nich je genokopií nebo fenokopií druhého ■' Konkordance a sdílení alel mezi příbuznými Čím blíže jsou si 2 rodinní příslušníci, tím více alel zděděných od společných předků mají totožných Pokud geny přispívají ke vzniku onemocnění významně, stoupá konkordance pro dané onemocnění s rostoucím stupněm příbuznosti - extrémní případ: MZ dvojčata - příbuzní 1. řádu: rodič + dítě (společná 1 alela s každým z rodičů) pár sourozenců vč. fraternal nich (DZ) (25% má stejnou dvojici alel nebo žádnou alelu, 50% má stejnou 1 alelu) s každým lokusem je tedy průměrný počet mezi sourozenci sdílených alel 0,25 (2 alely) + 0.5 (1 alela) + 0.25 (alel) = 1 alela • Pokud tedy geny k nemoci predisponují, lze očekávat, že X r bude nejvyšší pro MZ dvojčata, nižší pro příbuzné 1. stupně a dále klesá úměrně počtu sdílených alel ■■ Vztah k probandovi Podíl s probandem sdílených alel Monozygotická dvojčata 1 Příbuzní prvního stupně 1/2 Příbuzní druhého stupně 1/4 Příbuzní třetího stupně 1/8 ■' Podíl relativního rizika (kr) vyjadřuje, kolikrát vyšší pravděpodobnosti onemocnění čelí definovaný příbuzný nemocného jedince ve srovnání s obecným rizikem populace X = prevalence nemoci u příbuzných „r" postižené osoby prevalence nemoci v populaci r - znamená obecně příbuzný („relative"), v praxi se měří např. Xs („sibs"), A,p („parents") ■' Podíly relativního rizika X r příbuzných probandi! s vybraným onemocněním Čím vyšší je hodnota X, tím větší je familiární agregace a tím snazší je genetická analýza daného komplexního znaku. Hodnota X r= 1 znamená, že příbuzný nemá větší pravděpodobnost vzniku nemoci než kterýkoliv jedinec v populaci Onemocnení V*t»h "r Schi/olrenie MZ dvojčat* Sourozenci 48 12 1 Autismus MZ dvojčata Sourozenci 2000 150 Mániu depresívni (bipolárni) porucha MZ dvojčata Sourozenci 60 7 Diabetes mellitus 1. typu MZ dvojčata Sourozenci eo 12 Crohnova choroba M Z dvojčata Sourozenci 840 25 Roziroušená skleróza MZ dvojčata Sourozenci eoo 24 MZ ■ monozygoticka Údaje upraveny a převzaty /. Kimoin DL, Connor JM. Pyerilz RE. Emery and Rimom's Principles and Practice of Medical Genetics, 3. vyd., Edinburgh, Churchill Livingstone 1997; a King RA, Rotter J], Motulsky AG. The Genetic Basis of Common Diseases- CMord, England, Cht ford university Press 1992. ■' Studie dvojčat „experiment přírody na lidech" Základním přístupem je tradičně stanovení stupně fenotypove shody u MZ a DZ dvojčat -» minimalizace relat. vlivů zevního prostředí čím vyšší je fenotypova shoda MZ oproti DZ dvojčatům, tím vyšší je relativní genetický příspěvek studovaného komplexního znaku Výhody: umožňují abstrahovat od variability prostředí ■' Porovnání konkordance u MZ a DZ dvojčat Vyšší konkordance u MZ dvojčat oproti DZ dvojčatům je silným argumentem pro přítomnost genetických faktorů (zejména u onemocnění s časným výskytem) Onemocnění Konkordance (%) MZ DZ Netraumatická epilepsie 70 6 Roztroušená skleróza 17,8 2 Diabetes mellitus 1. typu 40 4,8 Schizofrenie 53 15 Osteoartróza 32 16 Revmatoidní artritída 12,3 3,5 Psoriáza 72 15 Rozštěp rtu s/bez rozštěpu patra 30 5 Systémový lupus erythematodes 22 0 Údaje převzaty a upraveny z Rimoin DL, Connor JM, Pyeritz RE Emery and Rimoin's Principles and Practice of Medical Genetics, 3. vyd., Edinburgh, Churchill Livingstone 1997; a King RA, Rotter JI, Motulsky AG The Genetic Basis of Common Diseases. Oxford, England, Oxford University Press 1992; Tsuang MT. Recent advances in genetic research on schizophrenia. J Biomed Sei 1998;5:28-30. ■' Omezení studií dvojčat MZ dvojčata i přes totožný genotyp nemají stejnou genovou expresi (např. náhodná X-inaktivace u žen) Ve skupinách lymfocytu se MZ budou lišit díky somatickým chromozomálním přestavbám v lokusech pro Ig a T-buněčný receptor Nitroděložní prostředí nemusí být pro obě stejné Expozice faktorům zevního prostředí nemusí být stejná (zejména u chorob s pozdní manifestací) Posun zjištění- 1 postižené dvojče přivede 2. (volunter based ascertainment = zjištění na základě dobrovolnosti) místo toho, aby byla nejprve zjištěna jako dvojčata a pak vyšetřena (population based ascertainment - ■' Heritabilita (h2) Je definována jako relativní podíl variability podmíněné geneticky na celkové variabilitě znaku h2 = VG/Vp [Variabilita fenotypu (Vp) = genetická variabilita (VG) + variabilita zevních faktorů (VE) ] • čím je vyšší a blíží se jedné, tím vyšší je obecný příspěvek genetické složky ve fenotypu Nejjednoduší způsob odhadu dědivosti (heritability) znaku je => dvojnásobek rozdílu korelačního koeficientu MZ a DZ dvojčat ■' Odhad heritability ze studií dvojčat Rozptyl hodnot fyziologických měření u množiny párů MZ dvojčat (100% genů) je porovnán s rozptylem hodnot měření u dvojic DZ dvojčat (50% genů) rozptyl u DZ dvojčat - rozptyl u MZ dvojčat rozptyl u DZ dvojčat Je-li variabilita znaku určena zejména prostředím, je rozptyl u DZ dvojčat blízký rozptylu u MZ a čitatel a tím i hodnota h2se bude blížit 0. Pokud je variabilita dána pouze genetickým složením, rozptyl u MZ dvojčat je nulový a h2 je rovno 1. Heritabilita běžných komplexních nemocí (znaků) Astma 60% Krevní tlak 40-70% Kostní denzita 60-80% Degenerace plotenek 60-80% IDDM 70% Obezita 50-90% Osteoartritida 50-70% Revmatoidní artritída 60% Ulcerativní kolitida 50% Vztah mezi incidencí v populaci a incidencí u příbuzných postižených osob 100OO 1OO0 As 100 10 Mendelian recessive 1 OOOO IOOO PoDulation incidence IOO ■' Genetická analýza komplexních chorob Důležité je definovat studovaný fenotyp Komplexní choroby (astma, cukrovka) konglomerát fenotypu nižších úrovní Intermediární fenotypy - např. hladiny IgE, bronchiálni hyperreaktivita u astmatu Vágní stanovení fenotypu komplikace při porovnávání různých nezávislých studií ■' Genetická analýza komplexních nemocí má vždy statistický charakter zdědění jednotlivé patologické alely není ani nezbytné, ani dostatečné pro manifestaci komplexního fenotypu Zevní faktory Genet, faktory + Geny + zevní faktor} Dosud se nepodařilo charakterizovat žádnou komplexní polygenní chorobu ve formě úplného souboru „patologických" alel a jejich interakcí (navzájem a se zevními faktory) ■' Hledání genů Mendelistických a komplexních chorob li MOO 16D0 1-UC 1200 1O0C íV.X. 1980 Human Mcndcli an traits All complex traits Human complex traits 100 90 80 9 c 70 & GO I M * 50 E S 40 3 ä 30 a 20 * 10 0 1985 1990 Vi 1995 2000 ■' Molekulární základ komplexních nemocí u člověka RWTTUl Trait Gtne Molecular basi» i m 11 ^h ■ complementation? /tom Art Typ* 1 daht4s M^KJB Aspartic Kid at position 57 is protective No Typt 1 dafc*t4s KL4-ÜQA MuUipU amino acid substitutions No Typ« 2 dafrt4S OSN 10 Intronic haplotype No Crohn's dinan CAR01S* MuUipto amino acid substitutions, singh nuctaotide insertion at nudaoüda position 3O20 causing framishift and prot4h truncation No AfahQimcr's dis»» Apc£ Arglnhů substituted for cyst4h4 at position Tlľ No Asthma JßßM33 Coding and noncodirg haplotype pain No Angiotensin 1- ACE MuLtlpto irtrapmc SNft No ocíwtíng 4nzuTH Uwls Metodologie genetického výzkumu komplexních nemocí Model dědičnosti Komplexní ir ir Hledání kandidátních genů Na základě hypotéz Celogenomový screening Bez hypotéz ^ ' ^' t ľ Poziční Funkční ~ Vazba Mikroarray ^ ^ Dle modelu dědičnosti Bez nutnosti modelu i " 1 Rozsáhlá oblast chromozomu Kandidátní geny 1 \ r Rodinné studie Populační studie —i ► Funkční analýzy <— Modifikováno dle Wills-Karp M and Ewart SL Nature Review 2004 Metodologie genetického mapování komplexních znaků (nemocí) > Studie na modelových organizmech > Vazebné studie - parametrické \ neparametrické TDT analýza > Asociační studie - retrospektivní („case-kontrol") \ prospektivní Celogenomova analýza x studium jednoho (několika) polymorfizmu Vazebné studie (linkage studies) parametrické neparametrické ■' Klasická vazebná analýza v rodinách A/l uc Sdílení alel (např. sib pair metod) VC o A/A Identity by state A/l ■A/l •A/C o n n A/C Identity by descent ■' LOD skóre Statistická metoda vyhodnocující genetické markery v rodinách s cílem určit, zda jsou 2 lokusy vázány. Lod skóre je logaritmus šance (odds), že tato vazba existuje. Konvenčně je LOD skóre 3 (šance 1000:1 ve prospěch existence vazby) přijímáno jako důkaz vazby a lod skóre -(minus) 2 (100:1 proti) jako důkaz, že lokusy nejsou vázány. TDT analýza (transmision disequilibrium test) n rodin přenesena alela *1 3Q 1/ nepřenesena alela S3 Bomprezzi et al. 2003 u o ■ o Asociační studie o □ o • u • n zdravé kontroly ' nemocn, pacienti ■' Rodinné a asociační studie - dva konce kontinua 100 Association study -55 o Search for shared segments Homozygosity mapping first and second cousins Th ree-generatf o n families: lod score Median length of shared segment Sib-pair study ■' je principem zcela odlišná od vazby Linkage (vazba) - je vztah mezi lokusy Asociace -je statistický údaj o společném výskytu alel či fenotypu (vztah mezi alelami či fenotypy) jí Alela A je asociována s chorobou D, když osoby, které trpí D mají A více (nebo méně často) než lze předpokládat z výskytu frekvencí D a A v populaci. !!! Problematika výběru kontrolní skupiny!!! Možné příčiny „pozitivní" asociace • Kauzální souvislost • Přirozená selekce • Populační stratifikace • Statistický artefakt IHodnoty pravděpodobností asociačních studií musí být korigovány: ne p=0.05 (event. 0.01) ale p=0.05/n (Bonferonni correction) ■ ' Linkage disequilibrium **Uttl«& • Posun zjištění (ascertainment bias) -tj. rozdíl v pravděpodobnosti, s jakou budou nahlášeni postižení příbuzní pacientů ve srovnání s postiženými příbuznými kontrol • Posun hlášení (recall bias) - větší motivace příbuzných probanda k vyplnění dotazníku, protože je jim dané onemocnění bližší Problematika studia komplexních nemocí Polygennost —» více faktorů - tzv. „malé" faktory ■' ■' Heterogenita (klinického fenotypu - genetická - populační) Allfclic hetfcrQgtneily Locus heterogeneity PhtnocQpY DrtiUlou Diagram When two Dr more alleles of a single locus are independently assumed with ihr Sámů trait stelle variant i Alfeld variant íi cflůůusA úf locus A When two or mare DNA Variation s in dislinc-t genetic lud are independently associated with the same trait Allelic variant i /y"lelic variant íi Of túCusA úflúůužB \ i Disease X V / Disease X The presence of a disease phenútype ttiathmnun-yenetic (random of environmental! basis AJIebc variant i Enviromiental cťIůcuiA factor K \ / Disease X Trait heterogeneity Phänotypic variability Definition When a trait, or disease-, has been defined with insufficient specificity such that it is actually twu or more distinct under!yiny traits Diagram Tr^ll I Trat II / DlBftSWX Variation in the degree, seventy or age of unset of symptoms exhibited by persons who actuatty have the šťime traitor disease process Symptom A Symptom B / \ Moderate úc severe Eárly onsétor late onset R-esentaf on 1 of trait I Presentation 2 of trait I \ / Disease X ■' Interakce faktorů Gene-gane interaction Gene-environment interaction Definition Diagram When hvů úr more DNA variations interact either directly [DNA-DNA or DNA-mRNA internuns!, tu change trsn* scription ur translation levels, or indirectly by way of their prutein prudutfs. tu alter disease risk separate from their independent effects Allelic variant i Allelic variant II of locus A of locus B No disease When a DNA variation interacts with an environmental tar. such M their combined effect is distinct torn their independent effect Wjcwinti of 1 WIS A Envrnimenlal to K r 1 1 Disease Genokopie Genotyp determinující velmi podobný fenotyp determinovaný odlišným genotypem Fenokopie Fenotyp, který je obvykle podmíněn specifickým genotypem, je u fenokopie podmíněn interakcí nějakého faktoru zevního prostředí s normálním fen oty p em Inkompletní penetrance zděděné příslušné sady patologických alel ještě nemusí nutně vést ke klinicky manifestnímu onemocnění Pleiotropie Mnohočetné fenotypové efekty jednoho genu nebo jednoho páru genů Impriting modifikace maternálních a paternálních genů během gametogeneze tak, že mají odlišnou expresi v zygote (fenomén odlišné exprese alel v závislosti na rodičovském příspěvku) ■' Genetická analýza komplexních nemocí vs. monogenních chorob Gen I Nalezení „variant" v příslušném genu Analýza genových variant Mendelistické nemoci Komplexní nemoci Diagnostika i Léčebná Prognostický Genetické intervence indikátor poradenství „Náchylnost" (susceptibility) ■ 1 Klinický význam dosud „problematický" ■ ■' Vyjádření „rizika" u komplexních nemocí Riziko = pravděpodobnost vývoje onemocnění Numericky: 0-1 Znaky (genetické, environmentálni,...), které zvyšují tuto pravděpodobnost => rizikové faktory: Výsledky různých studií daného RF by měly být konzistentní Asociace by měla být silná a specifická (nezávislá na jiných faktorech) Odpověď dávka/efekt Biologická věrohodnost Síla asociace ■ ' Síla asociace je vyjádřena podílem nadějí (odds ratio) vypočítaným z frekvence dané alely u pacientů a kontrol on = A/C B.'D AD BC Í11K5) = $.71 Je-li frekvence studované alely shodná u pacientů i kontrol, je podíl nadějí = 1 Condilion: Total Ves No 1 n 41 H 11 (B) 5Č M WĚĚM ■ 5 C 9 D 14 C+D m 45 66 A4C+D • Jinou, ale podobnou mírou asociace je vyjádření relativního rizika (RR), které porovnává riziko vzniku nemoci při nosičství určité alely s rizikem bez nosičství této alely RH = */*+B = W&H-ITPfl) = 1 45 C/C+D <107ůMTfl74> • U vzácných onemocnění se přibližně rovná i podílu nadějí (b < d a a < c) ■ ■ Condition: Total íes Mo Expwt Yes 349 (A} 1437 (B) 171» N& 17« C 6SM 0 7974 C+D Total 1425 9335 A+e+C+D Alergické choroby - příklad komplexních chorob ■ ' Celosvětově řazeny mezi závažnou skupinu civilizačních nemocí - komplexní nemoci „Alergie" - z řečtiny (alios ergeia) = změněná schopnost reakce (von Pirquet,1906) „anafylaktická reakce" - už z r. 2140 př. n. 1. (faraón Menes po bodnutím hmyzem) Alergie = imunopatologický stav neúčelné obrany organismu, vyjádřen nepřiměřenou specifickou odpovědí na antigenní podnět navozující zánětlivé změny ve tkáních a vedoucí k poruše funkce orgánů GENY PROSTREDI Alergeny Viry Polutanty Mírné ATOPIE BHR * ASTMA GENY PROSTŘEDÍ Závažné Genetika astmatu 2006 c O) >ü ^^ o o. ao 10 -r^" -*" -■ ;£ " 1 1 ý* -" M 1 \T\ ^3^-^^ ^-^ P É-lD Počet studií s pozitivními asociacemi CHIA (0) COX2 (1) VCAM1 (0) AGT(1) CLCA1 (0) HMNT(3) DAP (3) STAT4 (1) SELP (0) CCR3 (2) CHRM3 (0) TLR9 (3) ST2 (0) IL8 (1) ICOS (0) EDNRA (1) IL8RA (0) UGRP1 (3) MUC7 (0) EDN1 (1) PGDS (0) IKAP (2) IL15 (0) FLAP (2) IRF2 (0) MCP1 (3) IRF1 (0) IFNGR2 (1) IL3 (0) IL13RA1 (1) CYFIP2 (0) SDF1 (0) C3AR1 (0) PTGER2 (0) AACT (0) IL12RB1 (0) SSCE (0) TIMP1 (0) CXCR3 (0) KCNS33 NAT2 ACP1 DEFB1 IL1RN TLR4 IL1A C5 1MB GATA3 DPP10 ALOX5 CCR5 CRTH2 IL5RA IL18 TLR6 AICDA TLR10 VDR TLR2 IFNG CSF2 PHF11 IL5 CYSLTR2 IL12B TCRA/D TIM1 CMA1 TM3 PTGDR HLA-G CARD 15 HLA-DQA1 NOS2A HLA-DPB1 CRHR1 TAP1 CCL11 PAF AH TBX21 EDN1 STAT3 IFNGR1 ITGB3 CCL24 ACE CCL26 C3 CFTR GSTT1 NOS3 MIF GSTM1 IL10 CTLA4 SPINK5 LTC4S LTA GRPA NOD1 CC16 GSTP1 STAT6 NOS1 CCL5 TBXA2R TGFB1 -IO IL4 IL13 CD14 ADRB2 HLA-DRB1 HLA-DQB1 TNF FCER1B IL4RA ADAM33 Modifikováno dle Ober C a Hoffjan S Genes Immun 2006, v tisku Celogenomové analýzy u alergických ■ ' nemoci dosud 12 celogenomových studií (http://cooke.qsf.de/asthmaqen) Detekce oblastí chromozomů s možnou vazbou na výskyt alergických chorob nebo intermediárních znaků (IgE, eosinofily, kožní testy apod.) celogenomová signifikance - vzácná, většinou „podezřelé" oblasti některé výsledky se opakují, některé rozdílné (jiná populace, jiná metoda, jinak definovaný fenotyp) Oblasti chromozomů „podezřelé" z účasti na genetice astmatu ■ ■ Cytogenetický Iokus lp3l 2p ľq33 3p 3q2l Iq24q27 4q35 •f L' 5q3l q33 ßp23 p2l 7pl5p14 7q35 íq3l 11 pí S 11pl3 11q13 I2q15q24 I3q2l I3q3l Hqll 1Bp12 lĚq22q24 I7pl2-1?q11 I7q1ľ-21 1Sq13 2lq2l Xq28 (Yq2B) Atopie Alergické astma Celkové IgE Chromozom 1 TTDr« U3D Chromozom 3 tfluiiiiisuiHXiiii usni nu uiinuün ui ehe 1 I ■ I Haagerup et al. 2002 Astma a další alergické nemoci Eichenfield et al. 2003 ■' Gen pro ADAM33 (A Disintegrin And Metalloproteinase 33) první gen asociovaný s astmatem a BHR nalezený na základě celogenomové vazebné analýzy (Eerdewegh et al. 2002) exprese: fíbroblasty a hladká svalovina broncho funkce: - zinek-dependentní metaloproteináza, zakotvená v plazmatické membráně - mj. interakce s membránově vázanými enzymy a receptory, extracelulární komunikace - účast v remodelaci dýchacích cest u astmatu gen: chromozom 20pl3 Ganome-wide — Asthma and BHR — Asthma and specif c JgE — Asthma and total IgE ConfidBte £tfiH | and SN F*^ idenWi caff ion Chromosome 20p13 2_5-Mt> region contairw^ 40 genas, ircfcxiog ADAM33 and Fiarrtdng tíJ=RA4 and SN Case-cootroí srudes of 13S regional SNPs O O [13C0 Controls {217) AOAM33 SNPs tested tv TXJT and hapiotyps anatysis BfnsB :j« i < stud es Anays-s of various tissues noucfcng whole luns and five düierenE prinrsary lung co« types Wills-Karp M and Ewart SL Nature Review 2004. 5: 376-387 TABLE II. Asthma-related phenot ypes associated with SNPs in ADAMM Population Phenotyp« Si |V »l| S2 ST+4 $1+7 T1(M-»T) 12 Nl V-1 V4 [kh Positive CT h m p=.out p-.m* P=.050' Total serum IgE African American Positive ST p-.m\ p-.m Total serum IgE US white Positive ST P=B\* P=.0033* P=.0037* Total serum IgE US Hispanic Positive ST P-.B* P=.0O99* P: M* p-..m Total serum IgE 57: Skin lest •Common allele s itoesnvc. tCodomiMit model. {Common allele is dominant Gen pro DPP10 (DiPptidyl Peptidase 10) Allen et al (2003) - vazebnou analýzou na chromozomu 2q Potvrzení TDT analýzou 144 rodin Sekvenování oblasti o 1,5 MB -> 105 SNP nejsilnější asociace s WTC122 nejběžnější alela asociována s astmatem a fenotypy (také haplotypy s touto alelou) Case-control studie 1047 dětí z Mnichova asociace s prick testy, atopií a astmatem ■ ■ Funkce: - modulace zánětlivého procesu v dýchacích cestách ? - regulace neuronální (parasymatická ganglia) ? Gen pro PHF11 ( Plant Homodomain (PHD) Finger protein-11) • Cookson et al. (2003) identifikovali PHF11 na chromozomu 13q podobným přístupem jako u DPP10 • 49 SNP, 4 del/ins a (GGGC) repetice -> 3 (intron 5, 9 a 3'oblast) associace s Ln IgE a astmatem • Funkce: - negativní regulace transkripce ? Gen pro Tim 1 (T-cell immunoglobulin and mucin-domain containing molecules) r l-fcQTi ILA and BHFt Higf" n_-* and BMfl BALQtrnca MBA ccngenc mce Conganic and backcross A cy- ffiAl_atx MBA} Fl 1 - 5q sfejdes poaH 1 { Phenotyped r»*2 mice Oromosarpfl 11 T»n3 Tkni iMo-asti-íms Gen pro C5 (complement factor 5 gene) ■' wtha CS ClTCmO90Pte ? CS emn 7 oe*enort and faríá^ seqyenw: C3H sr cnnescaĽCJurr-TT -3^ Uächavďici CSateent I f MHCII ]Q TCft OAüerBenpep** 3^7> C5oR ^^> C£ Wills-Karp M and Ewart SL Nature Review 2004, 5: 376-387 Výzkumné hypotézy & cíle genetického výzkumu v naší laboratoři > Asociace „kandidátních" genu s vybranými patologickými stavy metodou „case-control" > Role genetické variability (polymorfizmu) v těchto lokusech při: - predispozici/náchylnosti k onemocnění - modulaci penetrance (např. klinické manifestace), progrese či závažnosti - tkáňové/orgánové preferenci > Interakce alelických variant v genu/genech s jiným genem/geny či zevními faktory Prístupy ke studiu genetického pozadí na našem pracovišti Metoda pozičního klonování (genetické mapování) Patologický stav (nemoc) způsobený Metoda hledání kandidátních genů JL obsahuje Polymorfizmus Oxid dusnatý a NOS L-Arginin ^ eNOS L-Citrulin Epitel Agonista Agonista Ca2+ NO ŤCGMP a K„ kanál Cel otevřený Kontrakce i Relaxace Cytokiny Transkripce N °\ L-Arginin L-Citrulin ^ ■ cytotoxicita nNOS Ca2+ Modifikováno dle Extracelulárně Glutamat Op Q- v WmiWHtiWmWMfflWři ytoplazma Cytoplazma cGMP regulace Neurotransmise Gen pro NOS1 mil trn W _ CA repeat (exon 29) CA repeat (exon 29) 3391C/T + 5266C/T AAT repeat (intron 20) AAT repeat (intron 20) 5266C/T GT repeat v intron u 2 5266C/T AAT repeat (intron 20) s AB (Grasseman et al., 1999) s AB (Grasseman et al., 2000) s počtem eozinofilu s IgE (Immervoll et al., 2001) s FEN0 (Grasseman et al., 2001) s atopií (Ali etal., 2001) s IgE (Holla LI et al., Allergy 2004) s AB (Shao et al., 2004) s IgE s IgE (Leung et al., 2005) NOS1 deficientní myši mají nižší „upregulaci" NOS2 po LPS (nižší počty eozinofilu, nižší FeN0- lijima et al., 2005) Cíle genetického výzkumu u komplexních nemocí ■ ■ Zlepšit porozumění patofyziologii uvedených chorob Přispět k diagnostice onemocnění • Nalézt parametry rizika progrese nemoci či stupně její závažnosti > nové poznatky by měly napomoci upřesnění diagnostických a/nebo léčebných postupů (individualizovaný přístup k terapii) Perspektivy výzk Komplexní nemoci = komplexní asociace Mela li Haplotyp Gen li Komplex genů Interakce genů a prostředí Epigenetické efekty li 9999999 Jak důležité jsou genetické vlivy u nejčastějších forem multigenních nemocí? Jaký je vliv prostředí na vznik nemoci? Které jsou nejslibnější přístupy k determinaci genetických faktorů pro nemoc? Které geny již byly vybrány jako možní kandidáti? Které cesty přispívají ke genetické vnímavosti pro danou nemoc? Jak mnoho genů se podílí na vnímavosti k nemoci? Jsou nejčastější formy multigenní nemoci asociovány s častou nebo vzácnou genetickou variabilitou v populaci? (hypotéza častá variace/častá nemoc vs. genetický heterogenní model)? Proč alely, které jsou asociovány s nemocí, nebyly z populace eliminovány? Jak důležité jsou pro danou nemoc interakce geny-prostředí a geny-geny? Jaké jsou důsledky pro farmakogenetiku? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Další multifaktoriální (komplexní) choroby ■ ■ Diabetes mellitus Hypertenze Schizofrenie Výsledky genetického výzkumu se netýkají jen relativně malého počtu nešťastníků postižených některou z více či méně vzácných monogenních chorob, ale desítek miliónů lidí na světě. obtížný interdisciplinární problém Děkuji Vám za pozornost